金長宇， 馮慶杰， 王 強

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

礦產(chǎn)資源是人類生活與發(fā)展經(jīng)濟的必需品.隨社會的不斷進步，全球?qū)ΦV產(chǎn)資源的需求量逐漸增大，礦山的淺部資源逐漸被開采殆盡，露天開采向地下開采轉(zhuǎn)型[1]，開始對深部資源進行開采.地下開采必然會在底層中產(chǎn)生大量的采空區(qū)，由采空區(qū)巖層失穩(wěn)造成的安全事故時有發(fā)生.除此之外，地下水位下降、地表下沉、尾礦庫污染成為了地下開采過程中非常棘手的問題[2].為了解決上述問題，充填采礦法已成為地下資源開采的首選方法，其中尾砂膠結(jié)充填不但能處理尾砂等固體廢棄物，還有效減少環(huán)境污染和尾礦庫管理成本，同時尾砂膠結(jié)體作為支撐結(jié)構(gòu)能明顯改善采場圍巖穩(wěn)定性，極大提高井下開采的安全與效率[3].

尾砂膠結(jié)充填體是將選廠尾砂骨料與膠結(jié)料和水按一定質(zhì)量比例混合攪拌，通過充填管道輸送到地下硬化后形成的膠結(jié)體.目前礦山廣泛使用的膠結(jié)料為硅酸鹽水泥，大量的硅酸鹽水泥充填到井下會使地下水的酸堿度提高，污染地下水，并且水泥的生產(chǎn)不可避免地要產(chǎn)生碳排放.據(jù)統(tǒng)計水泥行業(yè)所產(chǎn)生的二氧化碳約占全球人為二氧化碳排放量的6%，在我國這一比例更是增大到20%，成為了主要溫室氣體排放行業(yè)之一[4].因此尋找能夠替代硅酸鹽水泥的尾砂膠結(jié)料成為了亟需解決的熱門問題.

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(microbial induced calcite precipitation，MICP)技術(shù)是一種典型的生物礦化作用，在一定的物理化學(xué)條件及生物有機質(zhì)的控制或影響下，將溶液中的鈣離子轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴妓徕}為主的固相礦物.MICP技術(shù)的作用機理眾多，主要有尿素水解作用、反硝化作用、鐵鹽還原作用、硫酸鹽還原作用、光合作用等，其中以尿素水解作用應(yīng)用較為廣泛.尿素水解作用是指一些特定的微生物(脲酶菌)在新陳代謝過程中持續(xù)產(chǎn)生高活性的脲酶，脲酶分解尿素產(chǎn)生二氧化碳提高環(huán)境堿度，促進環(huán)境中的Ca2+沉淀為碳酸鈣晶體.基于尿素水解作用的MICP技術(shù)機理相對較為簡單，可以在短時間內(nèi)生成大量碳酸鈣沉淀，具備效率高、可持續(xù)發(fā)展、對環(huán)境無污染等特點，因此備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[5-6].Whiffin[7]于2004年率先提出利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)膠結(jié)砂土顆粒，改善砂土體的強度和剛度；Chu等[8]研究發(fā)現(xiàn)通過微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)膠結(jié)固化后的砂柱的單軸抗壓強度與碳酸鈣沉淀量之間存在正比關(guān)系，并給出二者之間的線性經(jīng)驗公式.van Paassen等[9]對100 m3的大規(guī)模砂土體進行MICP注漿法加固實驗，通過12天的循環(huán)注漿后，約有一半體積的砂土膠結(jié)在一起，呈透鏡體狀態(tài)，經(jīng)過測量得到生成的碳酸鈣含量約為110 kg/m3，砂樣試件的單軸抗壓強度最大可達(dá)12.4 MPa，表明MICP技術(shù)可大幅度提高砂土體的力學(xué)強度.諸多國內(nèi)外學(xué)者利用MICP技術(shù)對水泥基、土體、砂體等不同材料的修復(fù)與加固進行了研究[10-11]，多使用好氧菌(巴氏芽孢桿菌)的MICP技術(shù)，采用表面涂刷法、注漿法及浸泡法對材料進行修復(fù)和加固.涂刷法多用于表面缺陷修復(fù)，無法對內(nèi)部進行加固；注漿法雖然能夠有效對土體或砂體進行整體膠結(jié)加固，但注漿法成本較高、工藝較復(fù)雜，很難應(yīng)用到對地下礦山充填體的膠結(jié)加固中；浸泡法需要消耗大量膠結(jié)溶液，且成本較高、均勻性難以控制.地下采空區(qū)多為缺氧或無氧環(huán)境，如果利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)加固尾砂作為充填體材料，所用微生物必須在缺氧或無氧環(huán)境生存.常用的脲酶菌(如巴氏芽孢桿菌)屬于好氧菌，在地下缺氧環(huán)境中脲酶活性會迅速下降，不適合在地下采空區(qū)中應(yīng)用[12].因此，尋求一種可以誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的兼性厭氧菌對尾砂充填體進行膠結(jié)成為該項問題研究的關(guān)鍵.

根據(jù)已有微生物誘導(dǎo)碳酸鈣的研究成果，采用兼性厭氧菌(反硝化卡斯特蘭尼氏菌)在密封養(yǎng)護情況下誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀對尾砂進行膠結(jié)，研究菌液濃度、膠結(jié)溶液濃度、尾砂粒徑和溫度對膠結(jié)效果的影響.利用力學(xué)試驗對膠結(jié)后的尾砂試件強度進行測試，采用XRD對膠結(jié)后的產(chǎn)物進行分析，確定利用兼性厭氧菌的MICP技術(shù)在密封養(yǎng)護的情況下膠結(jié)尾砂的可行性.

1 試驗機理與原料

1.1 試驗機理

采用一種兼性厭氧菌(反硝化卡斯特蘭尼氏菌)的反硝化作用生成碳酸鈣，對尾砂進行膠結(jié).反硝化細(xì)菌是一種典型的兼性厭氧菌，在缺氧環(huán)境下，反硝化細(xì)菌能促使硝酸根接受電子，還原成氮氣，同時消耗環(huán)境中的氫離子，生成二氧化碳，從而提高環(huán)境堿度.在堿性條件下，溶液中的碳酸氫根與鈣離子結(jié)合生成沉淀.文獻(xiàn)[13-14]采用革蘭氏陰性、兼性厭氧菌(Pseudomonasdenitrificant)在液體培養(yǎng)基、瓊脂平板和砂柱等不同條件下的反硝化作用誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀試驗，驗證了利用反硝化菌進行MICP的可行性.

1.2 試驗原料

1.2.1 尾砂

使用的尾砂取自遼寧省鞍山市某鐵礦的尾礦庫.利用X射線熒光(XRF)分析對尾砂主要化學(xué)成分進行測定，主要化學(xué)成分如表1所示.采用X射線衍射(XRD)分析對尾砂晶體物相進行鑒定，如圖1所示，其主要礦物成分為石英、梅林石和銅鈷礦物等.為研究尾砂粒徑對膠結(jié)情況的影響，在確保尾砂成分不變的情況下，將原尾砂使用立式行星球磨機(XQM-4L)分別研磨30，60，90 min，并將原尾砂和研磨的3種尾砂按質(zhì)量比1∶1∶1∶1混合后配制出新粒徑配比的尾砂.采用激光粒度分析儀(Mastersizer3000，英國馬爾文公司)對5種尾砂樣品的粒度分布進行了分析，結(jié)果如圖2所示.

表1 尾砂中主要化學(xué)成分及含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Main chemical composition and content in tailings(mass fraction) %

圖1 尾砂XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of tailings

圖2 不同研磨時間尾砂粒徑分布Fig.2 Size distribution of tailings with different grinding time

1.2.2 微生物

使用的微生物為反硝化卡斯特蘭尼氏菌(Castellanielladenitrificans)，來自中國普通微生物菌種保藏管理中心，菌種編號為CGMCC 1.10720，反硝化卡斯特蘭尼氏菌是一種革蘭氏陰性的兼性厭氧菌.微生物采用蛋白胨10 g/L、NaCl 5 g/L、牛肉提取物3 g/L的營養(yǎng)肉汁培養(yǎng)基進行培養(yǎng)，配置好的培養(yǎng)基將其pH調(diào)整到7.0.培養(yǎng)基在高溫滅菌鍋(型號YXQ-L-50S11)內(nèi)滅菌后，帶到無菌操作臺中進行試驗.將活化后的反硝化卡斯特蘭尼氏菌分別接種到無菌培養(yǎng)基中，在振動培養(yǎng)箱(型號SHZ-82A)中培養(yǎng)24 h，溫度為30 ℃，振蕩頻率為140 r/min.

1.2.3 膠結(jié)溶液

2 試驗方法

2.1 膠結(jié)方法

首先將培養(yǎng)24 h后的反硝化卡斯特蘭尼氏菌液從恒溫震蕩箱中取出，使用紫外分光光度計(型號UVmini-1240)測定菌液在波長600 μm時的光度值(即OD600)；再將一定量的硝酸鈣、醋酸鈣、氯化鈣和營養(yǎng)肉湯溶解在新鮮培養(yǎng)基內(nèi)備用，將反硝化卡斯特蘭尼氏菌液在高速離心機(型號5424R)中以6 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min，倒掉上層清液.根據(jù)計算加入一定體積的培養(yǎng)基與膠結(jié)溶液混合液，充分混合后得到不同OD600值的菌液，由于菌液濃度與菌液的OD600值成正比，可以用菌液的OD600值來表征不同的菌液濃度.將預(yù)先干燥的尾砂與菌液按照固體質(zhì)量比為75%混合攪拌，將混合后的尾砂裝入內(nèi)徑50 mm，高度100 mm的模具內(nèi)，對模具側(cè)壁和兩端進行密封.將密封好的模具放入恒溫干燥箱內(nèi)在恒定溫度下密封養(yǎng)護28 d，待養(yǎng)護結(jié)束后打開模具，將恒溫干燥箱溫度調(diào)到70 ℃對試件進行烘干，脫模后進行后續(xù)試驗，分析尾砂試件的膠結(jié)效果.尾砂試件的制備流程如圖3所示.

圖3 尾砂試件的制備Fig.3 Preparation of tailings specimens

2.2 力學(xué)測試

對膠結(jié)后的尾砂試件進行單軸壓縮試驗和直剪試驗.單軸壓縮測試儀器采用美國Humboldt HM-5030加載試驗機，其壓力傳感器精度為0.01 N，位移傳感器測量精度為0.001 mm，最大加載能力為50 kN.直剪試驗采用東北大學(xué)巖石力學(xué)實驗室的YAW-3000微機控制電液伺服巖體直剪儀，法向應(yīng)力為0.25 MPa.試驗中試件均采用尺寸為50 mm×100 mm的圓柱體試件，每組試件均選取5個試件做相同測試并取平均值，得到在不同條件下尾砂試件的力學(xué)參數(shù)，分析各因素對膠結(jié)效果的影響.

2.3 XRD分析

利用兼性厭氧菌MICP技術(shù)密封養(yǎng)護可以生成CaCO3，對膠結(jié)后的尾砂試件進行X射線衍射分析.X射線衍射分析采用東北大學(xué)研究院分析測試中心的多晶X射線衍射儀，型號：X’Pert Pro；生產(chǎn)廠商：荷蘭帕納科公司；功率：3 kW；樣品臺：計算機控制5軸馬達(dá)驅(qū)動；探測器：超能探測器；測角臺：光學(xué)編碼；全數(shù)字化計算機控制系統(tǒng).為了避免取樣時的偶然因素，在膠結(jié)后的尾砂試件的不同位置選取樣本，將其在70 ℃下烘干后粉碎.測試得到的XRD圖譜與原尾砂的XRD圖譜進行對比，分析成物成分.

2.4 碳酸鈣含量測試

在膠結(jié)后的尾砂試件中，wCaCO3直接影響到試件的膠結(jié)效果和力學(xué)性能，通過測試wCaCO3，分析尾砂試件的膠結(jié)情況.分析MICP技術(shù)所形成的CaCO3的均勻性，根據(jù)文獻(xiàn)[15]將膠結(jié)后的尾砂試件劃分為4個部分，結(jié)果如圖4所示.將試件按部分分割后分別用研缽研磨成粉末，放入烘箱烘干，記錄此時的質(zhì)量為m1.將烘干后的試件粉末用去離子水浸泡洗滌后放入烘箱烘干，記錄此時的質(zhì)量為m2，然后將其放入0.1 mol/mL HCl溶液中浸泡洗滌，直至無氣泡.用去離子水洗滌、過濾并烘干，測得質(zhì)量為m3.第二、三次測量的差值便是試件中所含CaCO3的質(zhì)量.再根據(jù)原始試樣計算出試樣中wCaCO3，如式(1)所示.每組試件均選取5個試件做測試并取其平均值.

圖4 尾砂試件分布情況Fig.4 Location of tailings specimens

(1)

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 菌液濃度對膠結(jié)效果的影響

由于菌液濃度與菌液光度值成正比，采用菌液在波長600 μm時的光度值(即OD600)表征菌液濃度.將培養(yǎng)24 h的菌液離心后，根據(jù)計算分別加入不同體積的培養(yǎng)基，用OD600分別為0.25，0.50，0.75，1.00和1.25的5種不同的菌液對尾砂進行膠結(jié).為控制變量的唯一性，膠結(jié)溶液中cCH3COO-為0.6 mol/L，尾砂均使用未經(jīng)過研磨的原尾砂，并均在30 ℃下養(yǎng)護28 d.試件烘干后測定其單軸抗壓強度、直剪強度和各部分wCaCO3并取平均值，結(jié)果如圖5所示.

圖5 試件膠結(jié)效果與菌液濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between cementing effect of speciment and bacterial solution concentration

由圖5可知，隨菌液濃度的增加，單軸抗壓強度、直剪強度和試件各部分wCaCO3均呈上升趨勢，OD600值從0.25增加到1.00時，單軸抗壓強度、直剪強度和試件各部分wCaCO3均增加較快，說明菌液的OD600值低于1.00時，菌液濃度的增加對尾砂的膠結(jié)效果有顯著提升.OD600由1.00增加到1.25時，單軸抗壓強度和直剪強度基本維持不變，wCaCO3變化也相對較小，說明當(dāng)菌液的OD600值大于1.00時，受其他因素影響，菌液濃度的增加不能顯著提升對尾砂的膠結(jié)效果.在相同條件下經(jīng)過浸泡或注漿養(yǎng)護方式得到試件的單軸抗壓強度為0.5～1.2 MPa，但兩種方法均無法適應(yīng)井下缺氧或無氧環(huán)境；密封養(yǎng)護方式形成試件的單軸抗壓強度可達(dá)1.01 MPa，適用于缺氧或無氧環(huán)境，具備膠結(jié)尾砂再造充填體的潛力.

3.2 膠結(jié)溶液濃度對膠結(jié)效果的影響

分別配置物質(zhì)的量濃度為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mol/L的膠結(jié)溶液，將其與OD600值為1.00的菌液等體積混合后，再將混合后溶液與未經(jīng)過研磨的原尾砂進行混合制備試件.所有試件在30 ℃的條件下養(yǎng)護28 d，試件烘干后測定其單軸抗壓強度、直剪強度和各部分wCaCO3并取平均值，結(jié)果如圖6所示.

圖6 試件膠結(jié)效果與膠結(jié)物質(zhì)的量濃度的關(guān)系Fig.6 Relationship between cementing effect of specimen and ccem

由圖6可知，隨膠結(jié)物質(zhì)的量濃度的增加，單軸抗壓強度、直剪強度和試件各部分的wCaCO3均呈先增加后減小的趨勢，并在cCH3COO-為0.6 mol/L時，微生物對尾砂的膠結(jié)效果最佳.當(dāng)膠結(jié)溶液中cCH3COO-超過0.6 mol/L后，單軸抗壓強度、直剪強度和試件各部分的wCaCO3均迅速下降，說明當(dāng)膠結(jié)物質(zhì)的量濃度過高時，高物質(zhì)的量濃度的cCH3COO-會抑制反硝化卡斯特蘭尼氏菌的生長、繁殖，從而影響微生物對尾砂的膠結(jié)作用.

3.3 尾砂粒徑對膠結(jié)效果的影響

使用立式行星球磨機將原尾砂分別研磨30，60，90 min，并將原尾砂和研磨的三種尾砂按質(zhì)量比1∶1∶1∶1混合后配制出新的粒徑配比的尾砂，得到原尾砂.研磨30，60，90 min和1∶1∶1∶1的5種成分相同但粒徑不同的尾砂，使用OD600值為1.00的菌液和cCH3COO-為0.6 mol/L的膠結(jié)溶液分別對不同粒徑的尾砂進行膠結(jié)，并將所有試件在30 ℃下養(yǎng)護28 d.試件烘干后測定其單軸抗壓強度、直剪強度和各部分wCaCO3取平均值，結(jié)果如圖7所示.

由圖7可知，同樣的條件下，微生物對不同粒徑的尾砂按質(zhì)量比1∶1∶1∶1混合體膠結(jié)效果最好，原尾砂次之，研磨時間最長的尾砂膠結(jié)效果最差，并出現(xiàn)個別試件不成型的現(xiàn)象.微生物在誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀膠結(jié)尾砂時需要一定的生存空間，原尾砂粒徑較大，尾砂顆粒與顆粒之間的空隙較多，膠結(jié)效果相對較好.不同粒徑的尾砂按質(zhì)量比1∶1∶1∶1混合體相比較原尾砂除了有足夠大顆粒支撐下的空隙，還有部分小粒徑尾砂在其中起到細(xì)骨料的作用，使微生物誘導(dǎo)形成的碳酸鈣顆粒更有效地將尾砂膠結(jié)在一起.

圖7 試件膠結(jié)效果與尾砂粒徑的關(guān)系Fig.7 Relationship between cementing effect of specimen and particle size of tailings

3.4 溫度對膠結(jié)效果的影響

將OD600值為1.00的菌液、cCH3COO-為0.6 mol/L的膠結(jié)溶液和原尾砂進行混合攪拌，制備成試件后，分別放入溫度為20，25，30，35，40 ℃的恒溫養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28 d，得到試件烘干后測定其單軸抗壓強度、直剪強度和各部分wCaCO3并取平均值，結(jié)果如圖8所示.

圖8 試件膠結(jié)效果與溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship between cementing effect of specimen and temperatures

由圖8可知，養(yǎng)護溫度為30 ℃時，在試件中微生物誘導(dǎo)生成的wCaCO3最大，并且單軸抗壓強度和直剪強度也是最大的，說明30 ℃是反硝化卡斯特蘭尼氏菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀膠結(jié)尾砂的最佳養(yǎng)護溫度.當(dāng)養(yǎng)護溫度低于或高于30 ℃時，膠結(jié)效果會隨之下降，高于30 ℃時，下降速率較快.

3.5 生成物成分與分布

利用兼性厭氧菌MICP技術(shù)，在密封養(yǎng)護條件下確定生成物的成分，對膠結(jié)后的尾砂試件進行X射線衍射分析，并與原尾砂的XRD圖譜進行對比，如圖9所示.可知在膠結(jié)后的尾砂試件中生成了碳酸鈣，并多以方解石的形式存在.膠結(jié)后尾砂試件的單軸抗壓強度和直剪強度的變化趨勢與各部分wCaCO3的變化趨勢相同，試件各部分wCaCO3有明顯差別，將所有條件下各部分wCaCO3進行統(tǒng)計，如圖10所示.在密封養(yǎng)護條件下，利用兼性厭氧菌MICP技術(shù)膠結(jié)后的尾砂試件中，內(nèi)部(區(qū)域Ⅲ)生成的碳酸鈣最多、力學(xué)性質(zhì)最強；試件底部(區(qū)域Ⅳ)、頂部(區(qū)域Ⅰ)及試件的側(cè)壁(區(qū)域Ⅱ)由于模具無法做到完全隔絕氧氣，反硝化卡斯特蘭尼氏菌無法進行反硝化作用，導(dǎo)致側(cè)壁碳酸鈣生成量最低，力學(xué)性質(zhì)最差，個別試件存在表面脫皮現(xiàn)象.

圖9 膠結(jié)后試件與原尾砂的XRD圖譜對比Fig.9 Comparison of XRD patterns between the cemented specimen and the original tailings

圖10 不同區(qū)域碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.10 wCaCO3 in different regions

4 結(jié) 論

1) 利用兼性厭氧菌(反硝化卡斯特蘭尼氏菌)MICP技術(shù)在密封養(yǎng)護條件下可以將尾砂膠結(jié)成有一定強度的試件，兼性厭氧菌MICP技術(shù)具備在缺氧或無氧環(huán)境下膠結(jié)尾砂再造充填體的潛力.

2) 膠結(jié)后的尾砂試件的力學(xué)性質(zhì)隨菌液濃度的增加，不斷升高后趨近于平緩；隨膠結(jié)溶液濃度和溫度的升高，力學(xué)強度均先升高后降低；尾砂粒徑越小，膠結(jié)效果越差，不同粒徑尾砂混合后的試件膠結(jié)效果最好.

3) 經(jīng)過兼性厭氧菌(反硝化卡斯特蘭尼氏菌)MICP技術(shù)在密封養(yǎng)護條件下膠結(jié)后的尾砂試件中生成了碳酸鈣沉淀，并多以方解石的形式存在，生成碳酸鈣越多的部分力學(xué)性質(zhì)越強，反之越弱；試件不同區(qū)域的碳酸鈣生成量不同，其中試件內(nèi)部碳酸鈣生成量最多，側(cè)壁碳酸鈣生成量最少.